חיידקים במאדים בכל זאת? - יואב יאיר

מטוטלת הויכוח המתמשך בנושא הימצאותם של סימני חיים ברסיסי המטאוריט ALH84001 אשר נמצא בגבעות-אלן באנטארקטיקה, נוטה שוב לכיוונם של אלה המצדדים בהימצאותם של שרידי חיים קדומים בתוך המטאוריט.

כזכור, הודיע בשנת 1996 צוות חוקרים מ-NASA על מציאתם של גבישי המינרל מגנטיט (תחמוצת ברזל שנוסחתה הכימית Fe₃O₄) בתצורה הדומה מאד לזו שמופיעה בחיידקים בכדור-הארץ. גבישים זעירים אלה מסודרים בתוך החיידקים בשורות רציפות ומשמשים אותן לניווט על פי השדה המגנטי למקורות אנרגיה ואור. הממצא במטאוריט, שמקורו בלי כל ספק ממאדים, עורר סערה בעולם המדע ומאז נערכו עשרות מחקרים על גבישים זעירים אלה ומקורם. עד לפני מספר חודשים נראה היה שהויכוח הוכרע לטובת המצדדים במקור אנאורגני, כלומר שאינו מערב תהליכים ביולוגיים.

גבישי המגנטיט במטאוריט ALH48001; צילום: NASA

אולם, קבוצת בינלאומית של חוקרים שעבדה במרכז החלל ביוסטון בראשותה של ד"ר קייטי תומס-קפרטה, פרסמה לאחרונה מחקר חדש בעיתון היוקרתי Applied and Environmental Microbiology ובו היא מראה שלפחות 25% מהמינרל מגנטיט המצוי במטאוריט, מקורו בתהליכים ביולוגיים שהתרחשו בגופם של חיידקים קדומים במאדים. החוקרים השתמשו בשש תכונות פיסיקליות שאותן הם מכנים MAS ("עדויות מגנטיות למקור ביולוגי") כדי להשוותן למה שמצוי במטאוריט. כל אחת מתכונות אלה הינה עדות כימית או פיסיקלית הקשורה בהכרח לתהליכים ביולוגיים. בניסיונות המעבדה שערכו החוקרים הם הראו שאף אוכלוסייה של גבישי מגנטיט שגודלה בתנאים אנאורגניים, לא הצליחה לעמוד בקריטריונים של MAS ומכאן הם מסיקים שהגבישים במטאוריט ALH84001 חייבים מעורבות של תהליך ביולוגי כדי להיווצר. משמעות הדבר, שהיו חיים על פני מאדים בעבר.

מדובר, על פי ההשערה, בחיידקים החיים בסביבה מימית מהסוג המכונה מגנטו-טקטיים, אשר נוהגים לארגן בתוך גופן שרשרות של גבישים זעירים של מגנטיט בחיפושן אחר אנרגיה ומזון. הגבישים שנתגלו במטאוריט הם בגודל 1 ננומטר (מיליונית המטר או אלפית מיקרון), וזה אכן גודל זעיר ביחס חיידקים מגנטוטקטיים המוכרים לנו מכדור הארץ. יחד עם זאת, לגבישי המינרל הנוצרים בתהליכים ביולוגיים יש זהות ברורה, הם נקיים יותר מפגמים ובעלי גדלים וצורות ייחודיים המבדילים אותם מגבישי מגנטיט שנוצרו בתהליכים מינרלוגיים לא-ביולוגיים.

על פי ממצאי החללית "סוקר המאדים הגלובלי" (MGS) למאדים היה בעבר שדה מגנטי, בערך באותה תקופה שהטמפרטורה על פניו הייתה חמה מספיק לאפשר קיומם של מאגרי מים. תנאים אלה היו, ככל הנראה, הבסיס עליו התפתחו צורות חיים קדומות במאדים, אשר לפחות דוגמא אחת מהם הונצחה כמאובן בתוך סלע משקע, שנקרע מקרקע מאדים בהתנגשות עזה עם אסטרואיד, הועפה לחלל וצנחה כמטאוריט על כיפת הקרח של הקוטב הדרומי בכדור-הארץ.

המקור

Kathie L. Thomas-Keprta, Simon J. Clemett, Dennis A. Bazylinski, Joseph L. Kirschvink, David S. McKay, Susan J. Wentworth, Hojatollah Vali, Everett K. Gibson, Jr., and Christopher S. Romanek (2002) Magnetofossils from Ancient Mars: a Robust Biosignature in the Martian Meteorite ALH84001. Appl. Envir. Microbiol. 68: 3663-3672.

יואב יאיר הוא פרופ' לפיסיקה ומטאורולוגיה במחלקה למדעי הטבע והחיים, האוניברסיטה הפתוחה.

הסתגלות אבולוציונית של חיידק הצרעת לסביבה תוך-תאית - עזריאל פרומקין

על ידי השמטת חלק מהגנום וביטול פעילותם של גנים רבים

המקור: Cole ST, Eigimeier K. Parkhill J et al., Massive Gene decay in the Leprosy Bacillus.

NATURE 409, 1007-1011, 2001

הערת המתמצת:

אני ממליץ בחום, לכל מי שיש לו/לה ידע בסיסי ביותר בגנטיקה או בביולוגיה מולקולרית, לקרוא את המאמר המדהים, המתומצת כאן, במקור. ברור שמעל דפי "עדכון בדרמטולוגיה" ניתן להביא רק חלק משפע העובדות ומעומק הניתוח המצויים במקור. עשיתי כמיטב יכולתי למסור את עיקרי הדברים בצורה פשוטה ובשפה מובנת ואני מתנצל למפרע על אי-הדיוקים ועל ההכללות הפשטניות שקורא בקיא ממני ימצא בתמצית זו.

חיידקי Mycobacterium leprae מבעד למיקרוסקופ
CDC-1979

הצרעת היא מחלה עתיקת יומין. גורם המחלה, חיידק הצרעת - Mycobacterium leprae נתגלה בימיה הראשונים של התהוות הבקטריולוגיה. אולם עד היום הזה וחרף כל המאמצים לא נתאפשר גידול החיידק הזה במצע בקטריאלי משוכלל ככל שיהיה. החיידק הוא טפיל תוך-תאי המתרבה בתוך מקרופגים ותאי Schwann של עצבים היקפיים. מלבד האדם, החיידק מסוגל להתקיים בתוך הארמדיל בעל 9 הפסים (Nine banded armadillo) ובאופן מוגבל ומקומי בתוך כרית הרגלים של מכרסמים מסוימים שמנגנונם החיסוני ידוכא באופן מלאכותי. בכל המינים האלה, אין החיידק מסוגל להתקיים מחוץ לתא המאכסן.

עובדה ביולוגית מעניינת נוספת היא זמן ההכפלה הארוך של החיידק - בסביבות 14 ימים. זהו זמן ההכפלה הארוך ביותר הידוע בעולם החיידקים.

חיידק הצרעת שייך למיקובקטריה. שיוך זה נקבע על סמך המורפולוגיה של החיידק, תכונות הצביעה שלו, מבנה והרכב דופן התא וכו', והוא אם כן "קרוב משפחה" של חיידק השחפת.

Cole S וצוות עוזריו הקדישו 15 שנות מהקר במכון פסטר בפריז לחקר הגנום של חיידק הצרעת והשוואתו לזה של יתר המיקובקטריה, ובמיוחד לחיידק השחפת.

נמצא שהאורך הכולל של גנום המיקובקטריה, לרבות גנום חיידק השחפת, הוא בממוצע 4.4 מיליון צמדי-בסיסים (4.4 Mbp), בעוד שגנום חיידק הצרעת קצר בהרבה: כ-3.3 מיליון צמדי בסיסים, המהווים כ-75% מאורך גנום יתר המיקובקטריה. אולם אם משווים את מספר הגנים של חיידק הצרעת לאלה של חיידק השהפת, מתגלה עובדה מדהימה נוספת: מספר הגנים בחיידק השחפת מתקרב ל-4,000, בעוד שבחיידק הצרעת מספרם הוא מעט יותר מ-1,600. כ-90% מה-DNA של חיידק השחפת מקודד לחלבונים ובחיידק הצרעת פחות מ-50%. השוואה בין החלבונים המסיסים בשני החיידקים מגלה שחיידק הצרעת מייצר פחות מ-400 חלבונים מסיסים שונים, בעוד שמספרם בחיידק השחפת מתקרב ל-1,800. בהנחה שמוצא שני החיידקים הוא ממיקובקטריום קדמון משותף, הרי שחיידק הצרעת איבד במרוצת התפתחותו האבולוציונית כ-2,000 גנים פעילים.

מה קרה ל-2000 גנים אלה? מסתבר שחלקם הגדול הפך לגנים מדומים (pseudogenes), כלומר לקטעי DNA שדומים באופן כללי לגנים פעילים קיימים בחיידק השחפת, אלא שיש בהם השמטות, העתקת רצפים ממקומם, לעתים תוך חיבור בסדר הפוך, הכללת רצפי DNA שמקורם מחוץ לגנים וכו'. בקיצור, הפיכת גן מסודר ופעיל לפסיפס DNA דמוי-גן אך חסר פעילות ביולוגית. בבדיקת קבוצות גנים המייצגות פונקציות מוגדרות, כמו גנים המקדדים לאנזימים של מסלול החמצון האארובי, או לאנזימים העוסקים בהרכבת דופן התא וכו', נמצא שבכל 30 הפונקציות שנבדקו, מספר הגנים בחיידק השחפת עולה על אלה שבחיידק הצרעת; אולם נטרול הגנים לא התחלק באופן שווה בתוך הקבוצות הפונקציונאליות השונות ובאופן יחסי, נשמרו הגנים המקדדים לחלבונים הנחוצים ל-anabolism; לעומת זאת, אלה הנחוצים ל-catabolism קוצצו וצומצמו ללא רחם. בנוסף, בחיידק השחפת, פונקציות ביוכימיות מסוימות מתקיימות במספר נתיבים אלטרנטיביים; בחיידק הצרעת מתקיימת פונקציה ביוכימית בנתיב אחד או במספר אלטרנטיבות מצומצם ביותר.

הגנים שנותרו פעילים דומים ברובם לגנים מקבילים הקיימים בחיידק השחפת, אם כי חיידק הצרעת מייצר מספר קטן של חלבונים ייחודיים והגנים במקרה זה התרחקו יותר מהמקבילים להם בחיידק השחפת.

תופעה מעניינת היא הימצאותו של גן שדומה בהרכבו לגן המצוי בתאים בעלי גרעין (eucaryotic cells). סוברים שגן זה "סופח" ע"י חיידק הצרעת מגנום המאכסן והותאם אח"כ לצרכי החיידק. תופעה דומה נתגלתה ב-Borrelia burgdorferi.

תופעת צמצום הגנום וביטול פעילותם של גנים מוכרת במיקרואורגניזמים טפיליים תוך-תאיים אחרים, למשל בגנום ה-Rickettsiae, אך היא מגיעה לשיאה (עד כמה שידוע) בחיידק הצרעת.

פענוח הגנום של חיידק הצרעת לפרטיו יסייע, ללא ספק, במציאת נקודות התורפה הגנטיות והמטבוליות של חיידק זה ויאפשר, כך מקווים, לסלקו מן העולם.

דיון

מקובל לחשוב שהאבולוציה מתקדמת מן הפשוט אל המורכב, מן החד-גוני אל הרב-גוני, מן היצורים עם גנום קטן לאלה עם גנום עשיר, מן התולעת אל הדג ומשם אל היונק ולבסוף אל האדם. אלא שקיים זרם מינורי שכיוונו הפוך: אצל יצורים טפיליים תוך-תאיים עושר גנטי יכול להוות מכשול. למה לו, לטפיל תוך-תאי, לייצר את כל האנזימים הנחוצים לגליקוליזה, לליפז-סינטזה וכו', בשעה שאלה מצויים מסביבו בשפע בתוך הציטופלזמה של התא המאכסן? התעסקות בייצור מרכיבים לא הכרחיים הופכת את הגנום למסורבל והיצור הנושא גנום כזה נמצא בעמדת נחיתות בהשוואה לטפילים מתחרים מאותו מין או ממין שונה שהגנום שלהם מוקדש אך ורק לייצור כמה אנזימים וחלבונים סטרוקטורליים ייחודיים.

כיצד מתרחש תהליך "הורדת עודפי השומן הגנטים? לולאת ה-DNA החיידקי, המהווה מעין כרומוזום יחיד שאינו מוגן ע"י קדום גרעין, חשופה להשפעות מוטגניות רבות המביאות למשל לשינוי כימי בהרכב בסיסים בודדים, לקרעים ברצף ה-DNA והשמטת קטעים ממנו, לניסיונות איחוי בלתי מוצלחים, ולהכללת קטעי DNA "לא שייכים", בסדר "נכון" או "הפוך" (מקור קטעי ה-DNA יכול להיות קטע ששוכפל של הגנום העצמי, או קטע DNA ממיקרואורגניזם אחר או אפילו מה-DNA של המאכסן).

אירועים אלה משנים פונקציות רבות. לעתים קרובות הם קטלניים ואז אין הם מועברים לצאצאים; השינויים הגנטיים יוצרים לפעמים פונקציות חדשות או משמיטים פונקציות ישנות מיותרות ובמקרה זה הם מקדמים את החיידק ואת שבט צאצאיו.

בסביבה עוינת ומשתנה, למשל בסביבה חוץ-תאית, הלחץ האבולוציוני הוא ל"תוספת" כלים ומיומנויות גנטיות, כלומר להארכת הגנום, לריבוי ולגיוון גנים פעילים, להשמטת קטעי DNA שאינם מקודדים לחלבונים, ליצירת נתיבים מטבוליים חלופיים לכל פונקציה מטבולית; ולעומת זאת בסביבה עשירה, יציבה, מוגנת ו"מפנקת", הלחץ האבולוציוני הוא בכיוון ההפוך: ביטול פעילותם של חלקי גנום שהמאכסן ממילא ממלא את תפקידם, קיצור הגנום וזניחת נתיבים מטבוליים אלטרנטיביים. תהליך נטרול הגנים ה"מיותרים" מתקדם מהר יותר משמיטת קטעי גנום "עודפים", מסיבות שאין מקום לפרטן כאן, ואת זה רואים יפה בחיידק הצרעת.

פורסם ב"עדכון בדרמטולוגיה", כרך 32, עמודים 31-30, מרץ 2002.

גרהרד דומג - פרס נובל לרפואה לשנת 1939 - איתן ישראלי

 

דומג (Domagk), יליד 1895, גרמניה, למד רפואה בקיל, היה מרצה בגריפסוולד ובשנת 1928 התמנה כפרופסור לפתולוגיה במינסטר. בשנת 1927 התמנה למנהל המעבדות לפתולוגיה ובקטריולוגיה ניסויית בוופרטל, שס הוא חקר את פעילותן הרפואית של תירכובות אזו. בשנת 1932 גילה את פעולתו המרפאת של החומר פרונטוזיל נגד זיהומי חיידקים. אולם הוא המשיך בניסויים מבלי לפרסם את תוצאותיהם. רק בשנת 1935, לאחר שהצליח מאוד בריפוי זיהומים עם חיידקי סטאפילוקוקים וסטרפטוקוקים, פירסם את תגליותיו. 

אחד החולים הראשונים שקיבל טיפול זה היה בנו. בחלק הפעיל של התרופה זוהה כעבור זמן מה האמינו־בנזן סולפאנאמיד - חומר המוצא של משפחת תרופות על בסיס גופרית. בשנת 1939 הוענק לדומג פרס נובל. אולם לאחר שהודיע לוועדה על הסכמתו לקבלת הפרס, נעצר על־ידי הגסטפו, מאחר שהיטלר הטיל חרם על ועדת הפרס. רק בשנת 1947 קיבל רשמית את תעודת הפרס ואת מדליית הזהב, אך לא נהנה מהפרס הכספי.

פורסם ב"הרפואה" 141, ינואר 2002

ואולי בכל זאת חיים על מאדים - אבי בליזובסקי

 

בדיקה מחודשת של תוצאות ניסויים שנערכו לפני למעלה מעשרים שנה על אדמת מאדים, באמצעות החלליות וייקינג 1 ו-2  אולי מרמזת שייתכן ובכל זאת מתקיימים חיים על מאדים. כך אומר פרופ׳ ג׳וזף מילר מאוניברסיטת דרום קליפורניה. מילר הציג את ממצאיו באוגוסט השנה, בסימפוזיון שעסק בביולוגיה חוץ-ארצית (אקסוביולוגיה).

באוגוסט ובספטמבר 1975 שוגרו שתי חלליות וייקינג. לאחר שטסו במשך כמעט שנה, הן הגיעו בנפרד לאטמוספירה של מאדים ונחתו בשתי נקודות נחיתה על הכוכב האדום. מיד עם הגיען החלו בסדרת ניסויים, שנסתייעו בזרוע רובוטית שנשלחה וחפרה דגימות קרקע ופיזרה אותן בצלוחיות, יחד עם מעט תמיסת מזון שסומנה בפחמן רדיואקטיבי. הרעיון, מסביר מילר, היה שאם יש יצורים חיים בדגימה הם ישתמשו בחומרי המזון המסומנים רדיואקטיבית ויעבדו אותם, ולבסוף ישחררו את הפחמן הרדיואקטיבי כמרכיב של תרכובת גזית. גלאי קרינה שהותקן ליד הצלחות המכוסות חובר אליהם באמצעות שפופרות שדרכם היה הגז המשתחרר חייב לעבור.

החללית Viking-2 - שנחתה על המאדים והחלה ניסויים ב-1976
NASA

לדברי מילר, כשנאספו הנתונים, החוקרים שפעלו במסגרת תוכנית וייקינג, פטרישיה סטראאט וגילברט לוין (Straat, Levin) מצאו עדויות מוחשיות לשחרור גז. ״זה נראה כאילו הם גילו חיים על מאדים - אך מדענים אחרים טענו כי הגזים הללו יכולים להיות מוסברים טוב יותר כתוצאה של תהליכים כימיים עם רכיבים פעילים כמו על־תחמוצות״. בשל חוסר היכולת להוכיח שפליטת הגז נוצרה בידי יצורים חיים, החליטו מדעני NASA לזנוח את הנושא.

כך נותרו הנתונים פחות או יותר ללא טיפול עד 1999 . מילר, שעבד עבור NASA בראשית שנות השמונים, בחן את ההשפעות של אפס משקל על השעון הביולוגי בקופים, והחל לכתוב הצעה ל-NASA לערוך ניסויים ביולוגיים במשימות עתידיות למאדים. אז גילה בדיווחים אודות וייקינג-2 פליטת גז מחזורית. 

מילר חש שמדובר בממצא בעל חשיבות. הוא מיהר לבקש מ-NASA לבחון מחדש את הנתונים. היה צורך בכמה שיחות ובארבעה חודשים כדי לחשוף את הנתונים שמילר ביקש לראות. וכאשר NASA מצאה את הנתונים התעוררה בעיה. הם היו מאוחסנים על גבי סרטים מגנטיים בפורמט ישן; המתכנת שהכיר פורמט זה נפטר.

בסופו של דבר הצליחו אנשי סוכנות החלל לשחזר את הנתונים מתוך התדפיסים שנשמרו בידי לוין וסטראאט. לאחר עיבוד כ-30% מנתוני הניסוי יכול היה מילר למצוא משהו מובהק - משהו, לדבריו, שלא הובחן במאמר המקורי. ״האות עצמו לא רק שהיה לו קצב מחזורי״, אמר מילר, ״אלא שאפילו היה לו המחזור של 24.66 שעות - אורך היממה המאדימאית״! אמנם, היממה קשורה לשינויי טמפרטורה, והטמפרטורה משפיעה במידה ניכרת על קצב תהליכים כימיים, אך מילר טוען כי למרות שהשינויים בטמפרטורת מאדים גדולים במהלך שעות היממה, הרי שהשינויים בטמפרטורת פנים החללית קטנים מכדי להסביר את התנודות בכמות הפחמן הרדדיואקטיבי שנפלטה.

פורסם ב"גליליאו" 49, ינואר-פברואר 2002 

האורז הזהבי מהו? - רפאל איקן

 

חברת אסטרה-זנקה פיתחה לאחרונה סוג חדש של גרגירי אורז השונה מסוגי האורז הקיימים. האורז הוכן על ידי החדרת גנים של נרקיס וחיידק לגנום של אורז. הסוג החדש מצטיין ברמה גבוהה של בטא-קרוטן (המשמש כידוע כפרו-ויטמין A) המעניק לגרגירי האורז גוון זהבהב ולכן מכונה אורז זהבי. בכוונת החברה להפיצו בארצות מתפתחות. סוג חדש זה של אורז עשוי לסייע במניעת אלפי מקרי עיוורון אצל אנשים הסובלים מחוסר ויטמין A. מתברר כי כחצי מיליון אנשים סובלים מדי שנה מעיוורון בארצות מתפתחות.

International Rice Research Institute (IRRI)

החוקרים מנסים עתה לגדל זן חדש זה של אורז בתנאי שדה, היות שעד כה נערכו הניסויים בחממות בלבד. סבורים כי מימוש תכנית הפקת האורז הזהבי בתנאי שדה יצא לפועל רק בשנת 2003.

 המקור: Chemical and Engineering News. May 22. p. 9, 2000

פורסם ב"כימיה", 55, 2001

האם הנוגדנים מנחיתים מכת מוות? - רפאל איקן

 

הדעה המקובלת באשר לתפקידם של נוגדנים היא כי הם גורמים לקטילת חיידקים, וירוסים וחיידקים מזיקים. עתה מתברר כי אין הדבר כך, וכי מי חמצן (H₂O₂) הם האחראים להסרת הסכנה הנשקפת מזיהום הגוף על ידי החיידקים השונים. החוקר ריצ׳רד לרנר וצוותו ממכון סקריפס בקליפורניה טוענים, כי כל הנוגדנים שנבדקו על ידם מייצרים מי-חמצן מחמצן מולקולרי, וכי לנוגדנים יש פוטנציאל לקטילה מיקרוביאלית.

נוגדן
Mikael Häggström, M.D., Wikimedia Commons

מקורם של ממצאים אלה נעוץ בתגלית מלפני 15 שנה ביצירת אנזימים חדשים, כלומר חלבונים המאיצים תגובות כימיות. מקורם של האנזימים היה במערכות חיסון של בעלי חוליות, ובמיוחד בנוגדנים. נוגדנים קטליטים אלה כונו אבזימים ומשכו תשומת לב מהיבטים מסחריים, מדעיים ורפואיים. כך למשל הם שימשו לטיפול באנשים, שהיו מכורים לקוקאין, וגרמו לביטול פעילותו. החוקרים גילו, כי חשיפת נוגדנים לאור על-סגול יוצרת מי-חמצן. לאחרונה דווח על הקשר שבין הפעילות האנזימטית של נוגדנים ומספר בעיות בריאותיות, במיוחד אי-תקינות במנגנוני החיסון העצמי. כך, למשל, משמשים הנוגדנים לבעיות חיסוניות הקשורות בפעילות של בלוטת התריס ובמחלת האסתמה. דוגמה נוספת היא זיהוי נוגדנים ההורסים חומצות גרעין באנשים הסובלים ממחלת לופוס. לאחרונה דווח כי נוגדנים מסוימים משמידים חלבון הנצרך על ידי וירוס האיידס.

Proceedings of National Academy Science, September volume 26, 2000 

Israeli Chemist, Vol. 15, p31,1996,

E. Keinan and S. Saphier.

Science News, Vol. 158, p. 318, 2000

פורסם ב"כימיה", 55, 2001

מיקרואורגניזמים עתיקים - רפאל איקן

 

החוקר פטש וצוותו מהמכון האוקינוגרפי של וודסהול בארצות הברית, דיווחו לאחרונה על הימצאותם של מיקרואורגניזמים באבן ביטומנית ממדינת קנטאקי שגילה נאמד בכ-365 מיליון שנה. המיקרואורגניזמים ניזונים על פחמן קרוגני. המונח קרוגן, שפירושו מפיק שמן (דלק נוזלי), הוא פולימר פחמני שנוצר מחומר אורגני המצוי בחיידקים ובאצות בתנאים גיאותרמיים נאותים של טמפרטורה, לחץ ותהליכי פולימריזציה. 

יש לציין, שהחוקרים מנסים עתה להשתמש במיקרואורגניזמים אלה לשם פירוק צמיגי גומי משומשים, פולימרים פלסטיים ואף לפירוק אספלט. 2001 ,72.Science News, 159, 198 (2001) 8. p

פורסם ב"כימיה" 57,  בהוצאת מדיום - 2001